2. 3. Контактная разность потенциалов. Термоэлектродвижущая сила

Если два различных металла или сплава приводятся в плотное соприкосновение, между ними может возникать контактная разность потенциалов (КРП). Причина ее появления состоит в неодинаковой величине работы выхода электронов из металлов, а также в различной плотности свободных электронов у разных металлов.

Если взять два разных проводника − А и В (рис. 2.4) с работами выхода электронов W_выхА и W_выхВ; плотностью электронов n_А и n_В, то при соотношении, например, W_выхА < W_выхВ и n_А > n_В, электроны из А перейдут в приграничном слое контакта в В (градиент концентрации электронов!), нарушится электронейтральность и на границе соприкосновения появится контактная разность потенциалов, направление которой показано стрелкой.

Рис. 2. 4. Контактная разность потенциалов (W_A<W_B, n_A>n_B)

Контактная разность потенциалов определяется по формуле:

, (2.2)

где U_A и U_B – потенциалы соприкасающихся металлов;

n_0A и n_0B – плотности электронов в А и В, м^-3;

К – постоянная Больцмана, К=1,38∙10^-23 Вт/град;

q – заряд электрона, 1,6∙10^-19 А∙с;

Т – абсолютная температура, К.

Если температура спая (Т_г) будет больше температуры (Т_х) концов проводников, между которыми включить измерительный прибор, то в замкнутой цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, которую можно определить по формуле

. (2.3)

Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС должны учитываться при изготовлении точных измерительных приборов; чтобы не вносить погрешности в измерения, надо подбирать такие контактирующие металлы, между которыми возникает как можно меньшие КРП и термо-ЭДС, например, между медью и манганином возникает термо-ЭДС порядка (2...3) мкВ/град, а между медью и константаном (40...50) мкВ/град. Это явление используется для изготовления термопар – измерителей температуры.

Примером пар проводников для изготовления термопар могут служить: медь-константан, хромель-копель, которые используются для измерения температур до 300...500 °С, хромель-алюмель - до 900...1000°С и др.

2. 4 Контакты

Рассмотрим явления, которые имеют место при контактировании двух проводников (контактов) и сопровождаются пропусканием тока через контакт.

При механическом соприкосновении двух твердых тел не происходит такое их сближение, при котором они образуют единое целое для прохождения тока. Основные причины этому:

• поверхности тел имеют шероховатости, превышающие размеры атомов;

• многие металлы при воздействии окружающей среды окисляются, образуя на поверхности окисные пленки, являющиеся в большинстве случаев диэлектрическими (CuO, Ag₂O, Al₂O₃ и т.п.);

• на поверхности твердых тел адсорбируются молекулы кислорода, воды, газов, пыли, содержащиеся в окружающей среде.

Таким образом, контакт между проводниками первого рода осуществляется в результате сложных процессов, которые можно представить с помощью модели (по Хольму), рис. 2.5.

Рис. 2.5. Модель контактирования двух проводников

Для твердых материалов касание их поверхностей происходит не по всей площадке (А), а в нескольких малых площадках, часть которых представляет чистый металл (1), а часть окисленный (3). В ряде мест контакт отсутствует (2,4) в результате наличия воздушных зазоров. Если вся поверхность контакта материалов (А), контактные площадки (Аb), а площадь чисто металлических контактов «а», то соотношения между ними:

а < Аb << А.

Прохождение тока через такой контакт сопровождается явлениями, которые необходимо учитывать при выборе проводников контактной пары, при расчете площади контактов и выборе изоляционных материалов, примыкающих к ним.

Рассмотрим некоторые из этих явлений:

• так как площадь электрического контакта (а) меньше, чем расчетная (А), то в месте контакта происходит выделение значительной тепловой энергии – контакт нагревается за счет локальных перегревов;

• при замыкании и размыкании происходит механический износ поверхностей контактной пары (выкрашивание из-за трения и усталости материала);

• при размыкании контактов под действием значительных токов (в сильноточной аппаратуре), когда возникает дуга, может происходить перенос одного металла на поверхность другого (дуговая эрозия), их сплавление;

• в области контактных (чистый металл) площадок линии электрического тока значительно искривляются (эффект стягивания), рис. 2.6.

Внутри области стягивания имеет место большой градиент потенциала, а за ее пределами – очень малый. Градиент потенциала приводит к дрейфу носителей заряда по границе раздела контактов. При протекании тока через контакт 1 (рис. 2.5), в месте электрического соединения происходит выделение тепловой энергии и перегрев контакта (ΔТк) по сравнению с остальным телом металла и окружающей средой:

, (2.4)

где ρ – удельное сопротивление контактного материала;

λ_t – его теплопроводность;

R – сопротивление контакта;

I – протекающий ток через контакт.

Рис. 2. 6. Эффект стягивания

Наличие градиента температур может привести к диффузии носителей заряда от нагретого контакта к более холодной периферии материала и (или) диффузии атомов металла.

Контактное сопротивление (R) принимается как сопротивление стягивания (следствие стягивания линий токов к проводящей площадке) и сопротивление пленок на площадках касания (R_f):

R = R_c1 + R_c2 + R_f , (2.5)

где R_c1, R_c2 – сопротивления стягивания первого и второго контактов;

R_f – сопротивление пленки.

Большой процент выхода электрической аппаратуры из строя происходит за счет процессов, происходящих на контактах. Поэтому при выборе материалов для контактных пар нужно учитывать: условия их эксплуатации, окружающую среду; взаимодействие материалов друг с другом (термо-ЭДС , взаимная диффузия), твердость, окисляемость и т.д.

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в радиоэлектронике, являются разрывные и скользящие. При этом материалы должны обеспечивать их высокую надежность: исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, приваривания друг к другу, сильного окисления и др.

В качестве контактирующих материалов при разрывных контактах применяют чистые тугоплавкие металлы, различные сплавы и металлокерамические композиции, например:

Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co,Ni,Cr,W,Mo,To; Cu-C; Cu-W,Mo; Au-W,Mo и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие явления наблюдаются при контактировании двух разных металлов?

2. Что собой представляет термо-ЭДС в контактной паре проводников?

3. Какие явления наблюдаются в электрическом контакте проводников?

4. Чем сопровождается явление стягивания токовых потоков в месте контактирования проводников?

5. Из каких сопротивлений складывается полное сопротивление контактной пары